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中国科学家将天然木材硬度提高23倍,化学处理4小时即可实现

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DeepTech深科技 2021-10-25 18:51

木刀切肉,能切动吗?

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图 | 木刀切牛排(来源:陈博)

木钉子固定木板,这可行吗?

图 | 木钉固定木板(来源:陈博)

10 月 20 日,马里兰大学李腾课题组新论文的发表,让这一切成为可能[1]。

图 | 李腾(来源:李腾)

他表示,化学处理后的硬化木材,是上述木刀和木钉的原材料,其硬度是天然木材的 23 倍,锋利程度超过不锈钢餐桌刀。

当天,相关论文以《硬木材作为钢和塑料的可再生替代品》(Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic)为题发表在 Matter 上。

图 | 相关论文(来源:Matter)

地球有 3 万多亿棵成熟树木,硬化木材前景极佳

我们几乎天天离不开硬质材料,但被广泛使用的硬质材料往往不可再生,而且价格昂贵。许多硬材料的合成需要超高温和超高压等极端条件,因此构成了潜在安全挑战,也会消耗巨大能量。

此外,合成过程往往会排出大量废气。因此,非常有必要制备一种工艺简单、可持续、且低成本的硬材料替代品。

以制备木刀的硬化木材为例,同样制备合金刀和陶瓷刀,至少需要多出 10 倍的温度和压力。硬化木材的优势由此可见一斑,那么如何制备硬化木材?

纤维素是木材的主要成分,其比强度(强度/密度)比多数工程材料比如陶瓷、金属和聚合物都要高。但是木材的强度低于纤维素,这是因为木材本身组成中只有 40%-50% 的纤维素,其余的则由半纤维素和木质素组成, 而且天然木材中含有大量的孔洞。

李腾课题组采用的做法是尽量保持天然木材中的纤维素含量和结构,并且大幅度降低材料中的缺陷(比如孔洞,通道等)。过程分为两步:

第一步是将木材脱掉木质素,即将木材浸泡在含有氢氧化钠和亚硫酸钠的溶液中,当温度达到 100℃ 下将溶液煮沸几个小时。天然木材的刚性大,不易变形,而在去除木质素后,它会变得柔软、灵活。

第二步,给已被进行化学加工的木材施加压力和热度,过程中它会受到热压,水分会被去除,密度也会变得更大,然后在 100℃ 左右干燥,最终制备出硬化木材。

去除部分木质素和半纤维素,并用去离子水冲洗

下图是将原料木材、转成硬化木材的加工策略示意图。首先通过化学处理,从天然椴木中去除部分木质素和半纤维素,然后用去离子水冲洗。

图 | 将原料木材转成硬化木材的加工策略示意图(来源:Matter)

接着,在室温下把部分脱木质素的木材样品,放在垂直于木纤维的方向进行压缩,借此挤压原材料中的孔隙和坑,并挤出其中的水。

随后,把部分脱木质素的木材样品,进行热压干燥,来让它更致密。

借此产生的硬化木材,比原材料强大 23 倍,原因在于其显著密集的材料结构,可增强硬化木材中相邻纤维素纤维之间的氢键形成。

图 | 硬化木材比原材料强大 23 倍(来源:Matter)

然后将硬化木材浸入食品级矿物油中做表面处理,以提高其耐水性。通过切割和抛光,进一步将它加工成木刀和木钉,以展示其作为一次性桌刀和钢钉替代品的潜在应用。

图 | 处理表面,以及制作成木刀和木钉(来源:Matter)

化学处理 4 小时,可让硬化木材达到最佳硬度

那么,普通木材和硬化木材的硬度有何不同?如下图,图 A 和图 B 分别显示了天然椴木在 R-T 和 R-L 平面上的形态,沿木材的生长方向上,含有很多大小不一的管状通道和孔隙。

图 C 和图 D 则显示了硬化木材的相应形态,其中木细胞壁完全坍塌,纤维素纤维密集地平行排列。

图 | 天然椴木和硬化木材的对比(来源:Matter)

与此同时,硬化木材样品的厚度,比原木材少了约 20%。由此可见,硬化木材的致密化程度,与化学加工过程中去除的木质素密切相关。

在脱木质素的过程中,还对原材料进行了三个不同时间的化学处理,借此研究处理时间和木质素含量的依赖关系。

研究中,他们分别测量了硬化木材样品在其表面和中心附近的木质素含量。

如下图所示,在对硬化木材样品做 2 小时的化学处理时,木质素含量分别为表面 19.67+/-1.13wt%、中心 20.31+/-0.61wt%;

做 4 小时的化学处理时,木质素含量分别为表面18.04+/-1.09wt%、中心 18.86+/-0.25wt%;

做 6 小时的化学处理时,木质素含量分别为表面 16.89+/-0.80wt% 和中心 17.83+/-1.05wt%。

图 | 不同化学处理时间下,对应的硬化木材样品的木质素含量(来源:Matter)

即当化学处理时间相同时,中心部分的木质素含量均略高于表面部分,原因在于化学物质在木材表面附近的扩散速率,高于高温中心的扩散速率。

在不同的化学处理时间下,分别测定了硬化木材样品的半纤维素含量。分别做化学处理 2 小时、4 小时、6 小时,硬化木材样品中半纤维素含量依次是 18.50+/-0.87wt%、17.47+/-0.51wt% 和 16.89+/-0.40wt%。

这表明,化学处理时间越长,硬化木材中半纤维素含量较低。

那么,处理几小时可得到最佳硬度?由于布氏硬度试验方法常用于评价材料硬度,基于此他们通过在硬化木材表面施加 30kg 的力而产生压痕。

然后使用光学显微镜对压痕进行了表征和分析,结果发现凹部下方的木纤维会变形、并形成弯曲形状。

图 | 凹部下方的木纤维会变形,并形成弯曲的形状(来源:Matter)

结果表明,化学处理时间为 4 小时的硬化木材样品,比化学处理时间为 2 小时和 6 小时化学处理时间的样品,具有更高的布氏硬度,大约是天然椴木的 23 倍。

通过矿物油处理,来增强高温表面耐水性

木材的主要成分是亲水性的纤维素。因此,天然木材具有吸水性。因此,进行矿物油处理可增强高温表面的耐水性。

如下图,已形成的硬化木材表面、油处理后的硬化木材表面的接触角分别为 45.3+/-0.6 度和 79.9+/-1.8 度,这表明硬化木材表面的耐水性显著提高。

(来源:Matter)

为了进一步证明油处理后的硬化木材的耐水性,他们把它完全浸入去离子水中 24 小时。

并在浸水实验前后分别测量样品的厚度,结果发现浸泡 24 小时后,预制硬化木材的厚度增加幅度为 101.0%;而油处理后的硬化木材厚度增加幅度仅 24.6%。

(来源:Matter)

在重量增加百分比上,经过 24 小时去离子水浸泡的成品硬化木材的重量增加 46.5%,油处理后的硬化木材重量增加了 14.2%。

与此同时,去离子水浸泡 24 小时后的人造硬化木材,其布氏硬度出现显著下降,而 24 小时油处理后的硬化木材中布氏硬度仅略有下降。

以上实验表明,矿物油处理时提高抗水性的一种简单而有效的策略。

由于木材中的纤维素具有吸收性,因此当木材被雕刻成所需形状后,再给其涂上矿物油即可延长寿命,有了这一涂层,在使用时或进行清洗时,木刀即可保持锐度。

(来源:Matter)

木刀和钉子,分别对应切割功能和固定工具功能

硬材料最重要的两种应用,是切割和固定,比如我们使用菜刀切肉、使用钉子固定物品。

为了证明硬化木材力学性能的意义,他们分别展示了硬化木材在切割能力、和固定能力上的两种潜在应用,即文章开头的木刀和木钉。

考虑到木纤维排列方向下的各向异性材料结构,他们制备出两种木质刀片:I型硬化木材刀和II型硬化木材刀。前者是木纤维的方向平行于刀片,后者则是木纤维的方向垂直于刀片。

在对比商用钢桌刀、塑料桌刀、木桌刀、I型和II型硬化木材刀的之后,他发现这两种木刀比塑料刀、钢桌刀和木桌刀都更锋利。

实验中,他们还设置了两种切割模式:不滑动和滑动。

结果发现,滑动模式下的切割力,一般小于非滑动模式下的切割力。而在任何一种切割模式下,II 型硬化木材刀比 I 型硬化木材刀更锋利,原因是沿木材纤维方向的硬化木材的刚度,高于垂直于木材纤维方向的硬化木材刀。

此外,硬化木材不仅具有特殊力学性能,还不会像金属一样生锈,这表明它具备作为固定材料的候选潜力。

作为演示,他们通过雕刻一块硬化木材和表面抛光来制造一个硬化木材木钉。

研究中,他们比较了一个 6 号钢钉(直径约 3 毫米,长度约 5 厘米)、和一个相似尺寸的硬化木材钉。为了证明硬化木材钉的有效性,他将硬化木材钉和钢钉锤向每层 5 毫米厚的三层天然椴木,并用木钉将它们固定在一起。

实验证明,在通过天然木层的穿透过程中,木钉或钢钉都没有发生损坏。

(来源:Matter)

硬化木材的主要原料是椴木、氢氧化钠、亚硫酸钠,这都是供应丰富、且成本很低的商品。同时,通过回收和重用化学品,还可进一步降低硬件的制造成本。

李腾表示,未来这种木材也可用来制造更耐抓挠和磨损的硬木地板和硬化木门。如果需要的话,还可进行清洗、干燥和重新磨尖硬化木材制品,以便延长使用寿命。

他也坦言,尽管实现了木头本身能达到一部分力学行为,并没有把木头的最大潜力挖掘出来,即便如此也将木头硬度提高 23 倍。

其中最主要的原因在于,大幅降低了木头缺陷数量和缺陷幅度,从而极大提升了木头硬密度。

在未来,也可把硬化木材做得更大更薄,如此就能把超硬木片贴在不同结构上,从而用在更多场景中。

从教 16 年,如今借助视频号业余科普影响更多人

虽然人在海外,但是李腾看到微信的巨大潜力,2020 年微信视频号的兴起,让他在业余时间开始做起科普,这也让他得以触达更多人,尤其是青年科研人员。

他举例称,有一次和两位博士后讨论完问题之后,他把自己讲的内容,做了一个短视频在他的“李腾教授”视频号发布,最终有几万人观看。

后来他和学生说,看似多花了一点时间做视频,但原本只让他们俩受益,现在则能让几万人从中受益。这种放大的倍数,让他愿意花时间投入。

李腾说自己做了 16 年的教授,虽然教过很多学生,但是比起做视频号和直播能影响到的受众,在量级上的差别非常大,而这也让他非常有满足感。

此次硬化木材的视频,也在国外媒体广泛流传。可以说,李腾的木材研究贴合环保趋势,业余视频直播科普则紧跟新型传播手段。而这一切,都是在用科学影响世界。

参考:

[1]、Chen et al., Matter 4, 1–12(2021)https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.09.020

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